雷 冬 鳴，紀(jì) 靜，鄒 念 育，李 萍

（1.大連工業(yè)大學(xué) 光子學(xué)研究所，遼寧 大連 116034；2.遼寧廣播電視臺大連分臺，遼寧 大連 116011）

0 引 言

通信網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為21世紀(jì)經(jīng)濟和社會的支柱產(chǎn)業(yè)，為全球的信息產(chǎn)業(yè)帶來快速的變化。在過去的幾年里，帶寬緊缺導(dǎo)致了對更高帶寬的需求和更可靠的數(shù)據(jù)和聲音服務(wù)，這就要求下一代網(wǎng)絡(luò)具有更高性能，更低的成本，更可靠的性能來滿足未來的帶寬和更好的靈活性。光正交頻分復(fù)用技術(shù)（OFDM）正可以滿足這種需要。這種調(diào)制形式被廣泛應(yīng)用在無線通信領(lǐng)域，而其最近則在光纖通信方面，無論是應(yīng)用還是學(xué)術(shù)研究領(lǐng)域都引起廣泛的興趣。OFDM 將頻道的帶寬分為各個互不干擾（正交）的子頻道，它集中在主頻道上進(jìn)行處理，所以不容易造成光纖失真。另外，由于其可應(yīng)用例如QAM 這樣高級的調(diào)制技術(shù)，因此具有較強的恢復(fù)力。OFDM 可達(dá)到高頻譜利用率，而且這種可以將多OFDM 頻帶聚集在一個光纖信道中傳輸?shù)亩囝l帶技術(shù)可以提供出色的轉(zhuǎn)換間隔和更好的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)適應(yīng)靈活性，可以解放信號轉(zhuǎn)換的帶寬，滿足速度的需求。

近年來，千兆每秒的DACs和ADCs已經(jīng)商業(yè)化，使得光OFDM 的實現(xiàn)成為可能。高速的數(shù)字信號處理的低成本的實現(xiàn)可以靠應(yīng)用可編程邏輯門陣列器件（Field－Programmable Gate Arrays，F(xiàn)PGAs）［1］。高速信號轉(zhuǎn)換器和FPGA使得實時的光OFDM 系統(tǒng)的實現(xiàn)成為可能［2］。由此提出了基于FPGA 對光OFDM 發(fā)送端的信號處理的整體設(shè)計，分別從理論和實驗上分析M序列，QAM，IFFT 對系統(tǒng)的實現(xiàn)的可行性，并提出一種實現(xiàn)方案。

1 設(shè)計的總體結(jié)構(gòu)

光OFDM 信號的發(fā)送端整體設(shè)計如圖1所示。

圖1 光OFDM 信號發(fā)射系統(tǒng)Fig.1 Optical OFDM signal sending system

發(fā)射機包括DSP模塊，模擬部分和一個光學(xué)前端設(shè)計的部分。數(shù)字信號由FPGA 產(chǎn)生，在此設(shè)計中使用Xilinx Virtex－5（XC5VLX50T），產(chǎn)生的M 序列接入到數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊FPGA 與數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）上的接口可使用FPGA 上的吉比特收發(fā)器（MGTs），速度最高可達(dá)10.3Gb／s。模擬部分包括一個放大器，一個低通濾波器。經(jīng)D／A轉(zhuǎn)換后，加上偏置電流將信號放大加載到馬赫曾德爾調(diào)制器（Mach－Zehnder Modulator，MZM）上。放大器輸出的偏置電流增值使得加載到MZM 上的信號傳輸性能達(dá)到最佳效果。為了產(chǎn)生單邊帶的光信號，在MZM 之后還需要一個光學(xué)濾波器，再傳送到光纖上進(jìn)行傳輸。在接收端，可通過PD 把光信號轉(zhuǎn)換為電信號，既可以用直接接收（DD）方式又可以用相干接收（CO）方式，然后使用FPGA 對接收的信號進(jìn)行相應(yīng)的處理。

發(fā)送端信號處理過程如圖2所示。

圖2 發(fā)送端OFDM 信號處理Fig.2 OFDM signal processing

輸入的偽隨機序列M 序列作為調(diào)制信號，其經(jīng)過16QAM 產(chǎn)生兩路正交的信號，然后將其輸入IFFT 模塊從而將時域信號轉(zhuǎn)換為頻域信號進(jìn)行傳輸，從而完成了OFDM 信號的調(diào)制。

2 模塊設(shè)計

2.1 M 序列發(fā)生器

M 序列是最長線性移位寄存器序列的簡稱，是一種偽隨機序列、偽噪聲碼。它是由反饋移位寄存器產(chǎn)生的周期最長的一種序列。n級移位寄存器產(chǎn)生的M 序列可產(chǎn)生的最長周期為2n－1。M 序列發(fā)生器的結(jié)構(gòu)主要分為兩類，一類為簡單型碼序列發(fā)生器（SSRG，Simple Shift Register Generator），另一類為模型塊型M 序列發(fā)生器（MSRG，Modular Shift Register Generator）［3］。設(shè)計給出的是SSRG 型M 序列發(fā)生器。

移位寄存器由若干個串接的存儲器所組成，并由時鐘控制，當(dāng)有時鐘脈沖觸發(fā)時，寄存器的存儲信號由上一級向下一級進(jìn)行傳遞，其結(jié)果作為第一級寄存器的輸入，這樣就得到了一個移位寄存器序列［4］。n階線性移位寄存器的特征方程（或特征多項式）為

共有n個寄存器，它們的狀態(tài)為Xi（i＝1，2，…，n），（C0，C1，…，Cn）為反饋系數(shù)，也是特征多項式系數(shù)。這些系數(shù)取值為“1”或“0”。當(dāng)Ci為“1”時表示狀態(tài)與加法器相連，反饋支路相連，“0”表示該支路斷開。所以，反饋支路的連接方式不同可改變移位寄存器的輸出序列。

圖3 線性移位寄存器Fig.3 Linear shift register

以4階的M 序列為例。發(fā)生器如圖2所示。設(shè)初始狀態(tài)為（0，0，0，1），在時鐘作用下，發(fā)生移位。每進(jìn)行一次移位，由X3和X4模2相加產(chǎn)生的X0作為新的輸入，從而產(chǎn)生新的狀態(tài)。移位15次之后又回到初始狀態(tài)（0，0，0，1）。

產(chǎn)生的M 序列的狀態(tài)表如表1所示。周期P＝24－1，響應(yīng)輸出序列為100010011010111。

經(jīng)過ISE 軟件編譯后得出的仿真波形圖如圖4所示，與設(shè)計預(yù)期相符。

表1 M 序列產(chǎn)生狀態(tài)表Tab.1 M sequence status table

圖4 4階M 序列的仿真波形圖Fig.4 Waveform of M sequence simulation

2.2 QAM 模塊

正交幅度調(diào)制（QAM）是由兩個正交載波在多電平振幅鍵控信號進(jìn)行疊加而成的，在帶寬和功率占用方面都有優(yōu)勢，即在同步信號速率下能夠提供更高的比特傳輸速率，比特信噪比低，并不影響傳輸?shù)目煽啃阅埽皇莻鬏斚到y(tǒng)的一種基本調(diào)制方式［5］。它抑制光纖非線性和光信噪比的特性，將它用于100Gb／s光纖傳輸系統(tǒng)中可以實現(xiàn)高速傳輸并可高頻譜效率。

2.2.1 MQAM 原理

信號的一個碼元可以表示為

式中：k為整數(shù)，Ak和θk分別為幅度和相位。

式（2）可展開為

Xk、Yk是兩個振幅相控的信號。

式（3）可變?yōu)?/p>

sk（t）就可看成是兩個正交的振幅相控的信號之和，可通過控制幅度和相位從而產(chǎn)生不同振幅相位的矢量信號。這種信號調(diào)制方式總稱為MQAM。QPSK 是最簡單的MQAM 信號的一種。由于其矢量圖看像是星座，故又稱星座（Constellation）調(diào)制。

16進(jìn)制的信號是最有代表性的QAM 信號，WiMAX 系統(tǒng)就采用了16QAM 調(diào)制技術(shù)。

如圖5所示，輸入的二進(jìn)制需要先經(jīng)過串／并轉(zhuǎn)換，將每一路的每2bit轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字，輸入成型濾波器得到正交的兩路I、Q 信號的幅度，然后對兩路正交信號進(jìn)行幅度調(diào)制。最后將兩路信號疊加便成了矩形的16QAM。圖6 所示為Modelsim 的16QAM 仿真輸出圖。實部、虛部分別采用±20和±61來表示其坐標(biāo)。

圖5 產(chǎn)生矩形16QAM 信號的原理框圖Fig.5 16QAM signal producing diagram

2.3 IFFT設(shè)計和邏輯

IFFT 核的硬件實現(xiàn)是OFDM 發(fā)射機的核心部分，為了使系統(tǒng)達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)，IFFT 核必須能夠在每一周期都有持續(xù)的高速輸出。這項挑戰(zhàn)使得IFFT 邏輯算法的典型硬件實現(xiàn)引起了廣泛的興趣。使用Xilinx Virtex－5FPGA，使得設(shè)計可以簡便實現(xiàn)。

圖6 16QAM 仿真波形圖Fig.6 Waveform of 16QAM simulation

2.3.1 IDFT 算法

n點IDFT（Inverse Discrete Fourier Transform，IDFT）可定義為矩陣向量。

式中：x和y分別是長度為n復(fù)數(shù)的輸入和輸出向量。

其中

2.3.2 IFFT 實現(xiàn)

逆快速傅里葉變換（IFFT）是逆離散傅里葉變換的一種快速算法。

FFT 算法的核心思想就是將n點的序列逐次分解為（N－1）／2，直至2 點的DFT。FFT／IFFT核提供了4種結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)實部、虛部信號的FFT／IFFT 運算。為達(dá)到更高的速度采用流水線型Streaming I／O 結(jié)構(gòu)，它允許連續(xù)的數(shù)據(jù)處理，如圖7所示。

圖7 FFT／IFFT 算法的流水線型圖Fig.7 Pipelined figure of FFT／IFFT algorithm

流水線型方式應(yīng)用流水線型的幾個基－2 蝶形處理模塊提供連續(xù)的數(shù)據(jù)處理。每個處理模塊有它自己的存儲器存儲輸入和中間數(shù)據(jù)。這個模塊可以在當(dāng)前的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)下同時進(jìn)行轉(zhuǎn)換計算，為下一數(shù)據(jù)模塊載入輸入數(shù)據(jù)，卸載遷移數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的結(jié)果。用戶可以持續(xù)地進(jìn)行數(shù)據(jù)流處理，在運算周期結(jié)束后，可持續(xù)地卸載結(jié)果。

每一種結(jié)構(gòu)都是提供一種輸出數(shù)據(jù)與原數(shù)據(jù)的對應(yīng)順序。IFFT 的運算是在處理過程中將數(shù)據(jù)進(jìn)行重排，例如輸入數(shù)據(jù)按原順序而輸出則按照反轉(zhuǎn)的順序。由于卸載數(shù)據(jù)的過程不能在為下一組加載輸入數(shù)據(jù)同時發(fā)生，這樣就會對Burst I／O 結(jié)構(gòu)強加一個時延，所以就需要分別進(jìn)行加載和卸載數(shù)據(jù)的過程。在流水線結(jié)構(gòu)中就需要額外的RAM 來實現(xiàn)重排。

圖8為IFFT 的Modelsim 仿真結(jié)果圖，為流水線型的1 024點的IFFT 核的輸出結(jié)果。

圖8 IFFT 仿真波形圖Fig.8 Waveform of IFFT simulation

3 結(jié) 論

經(jīng)過調(diào)制的信號結(jié)果如圖9所示。將M 序列發(fā)生器產(chǎn)生的信號作為調(diào)制信號，通過16QAM 的調(diào)制方式產(chǎn)生實部、虛部兩路信號，提高了信號的比特傳輸速率，降低信噪比，提高傳輸?shù)目煽啃?，然后將實部和虛部輸入設(shè)計的IFFT核，將時域信號轉(zhuǎn)換成頻域信號進(jìn)行調(diào)制。

圖9 OFDM 信號調(diào)制結(jié)果Fig.9 Waveform of OFDM signal modulate

所有控制邏輯全部采用硬件電路實現(xiàn)，邏輯資源密度高，集成在一片F(xiàn)PGA 中，減少了外部電路的復(fù)雜度，大大提高了電路的工作速度。調(diào)制信號硬件測試結(jié)果良好，具有較強的實時性，適用于高速的光纖傳輸系統(tǒng)中。

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